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负载点DC/DC转换器的折衷方案和选择标准

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作者:Mickey McClure时间:2005-08-21来源:
负载点DC/DC转换器的折衷方案和选择标准

 

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/7703.htm

在当今的电源管理产品市场上,非隔离型负载点(POL)DC/DC控制器是成长最快的区隔之一。POL DC/DC控制器的典型应用包括电信交换机和光纤网络、蜂窝通信基站、高端计算机和数据存储设备以及诸如图形卡、PC主板和42V汽车电池系统等其他市场机会。

面对为数众多的不同POL转换器选择,系统设计师必须对一些基本而又往往是相互矛盾的折衷方案进行评估。所进行的折衷全都围绕着产品的面市时间、易用性、成本、效率和外形尺寸。目前,系统设计师有三种基本的POL转换器可以选择:插入式模块、带有集成功率MOSFET的脉宽调制(PWM)转换器以及专为驱动外部MOSFET而设计的PWM控制器。

插入式模块是一种由模块供应商设计、测试和检验的完整电源。用户只需简单地将模块插入系统主板即可。DC/DC转换器是一个具有集成FET的单片控制器。此类解决方案通过免除选择外部FET之需而使设计和电路板布局得以简化,且一般来说更容易进行补偿。PWM控制器因其采用了可针对特定应用进行优化的外部FET而成为一种最为灵活的选择方案。

一般而言,设计师采用模块化POL解决方案将能够实现最快的设计时间,从而使产品能够在最短的时间内面市。在其他场合,对易用性和紧凑型设计的需求预示着应采用一种带有一个集成FET转换器的分立解决方案。还有一些应用可能对灵活性和成本有着极高的要求,这就需要采用一个带外部功率开关的分立集成电路(IC)控制器。

非隔离型DC/DC IC市场上的众多应用运用的是分布式电源架构(DPA)。一根DC总线(一般为-48V)沿着位于一个大机架中的背板进行分布。每个机架包含许多插卡,每个插卡都有多种DC电压要求。一个用于专用插卡的通用系统架构包括一个-48V至主插卡级电压(3.3V、2.5V等)的隔离型DC/DC模块。这种架构需要采用辅助的非隔离型POL电源。DPA插卡上包容了各种各样的元件(如DSP、存储模块、FPGA以及内核和I/O逻辑器件),因而需要采用几种不同的POL电源电压(在0.5A至15A等电流条件下为2.5V、1.2V、1.0V和0.8V)。在该市场上,DC/DC转换器所需具备的重要特征是易用、紧凑(经常要考虑双输出电源和三输出电源)、高效和廉价。

图1示出了一种典型的插卡级分布式电源解决方案,它向插卡馈送一个分布式总线电压(这里为-48V)。首要的要求通常是热插拔保护。当一块印刷电路插卡被插入一个带电背板时,电路板上的体电容会从机架电源吸收巨大的瞬态电流。如果没有采用一些涌入电流保护措施,那么这些大电流就有可能损坏连接器插针和PCB走线。而且,形成的电压尖峰还会损坏电路板上的有源和无源元件,并对系统中其他插卡上的敏感元件产生干扰。


图1:典型的插卡级分布式电源解决方案

我们以专为避免发生这些常见问题而开发的热插拔型电源管理IC(比如TPS2390/91)为例。这些IC采用了一个外部N沟道MOSFET和一个检测元件,以便对在热插拔期间供应给系统插卡的电流进行闭环控制。

转换过程中的下一步是隔离型电源。大多数DPA系统要求在DPA总线电压和专用插卡之间进行电隔离。实施这种隔离是出于安全性和回流控制方面的考虑,旨在避免形成电流回路。

对于隔离型电源来说,系统设计师可以选择建立一个插卡级的分立解决方案。虽然在大容量应用中这可能是一种更具成本-效益性的解决方案,但采用一个经过全面检验和测试的现成模块却常常能够使一项设计的产品面市时间大为缩短。除了设计时间上的节省之外,采用一个模块化的隔离型电源还能够使安全代理核准程序大为简化。

全隔离模块电源用于在-48V应用中提供最大的灵活性和易用性。例如,PT4820/50模块提供了三种低电压输出,使得用户只需一个器件就能够满足大部分板级DC/DC要求。三输出电源的一大优点是能够直接控制起动和停机电源定序,从而使这一常常令人感到棘手的问题得到了解决。

然而,一块电路板要求在一个插卡上具有6个(或更多的)DC-POL电压的情况并不鲜见。即使是一个三输出隔离型电源也极有可能需要由附加的POL转换器提供辅助。对于板级电源设计师而言,同步DC/DC转换器是另一种颇具价值的工具。通过将功率FET与PWM控制器加以集成的方法,设计师实现了一种结构极为紧凑且易于使用的设计方案。如图1所示,在SWIFT™系列同步DC/DC转换器中,一种名为PowerPAD™的热增强型封装能够在无需采用外部散热器的情况下使效率有所提高。DC/DC转换器难题的最终解决往往需要仰仗高效DC/DC控制器。成本、功耗、效率和电路板面积等方面相互抵触的系统要求经常只是简单地需要借助一个外部FET控制器来增加灵活性。为了有效消除同步整流MOSFET体二极管中的导电现象,可采用一种名为Predictive Gate Drive™的新技术来对外部MOSFET的关断和接通时间进行优化。该技术最多可把同步FET中的功耗减少40%,从而使效率和可靠性均有所提高,并降低了总体系统成本。

图2示出了一种600kHz、3.3V至1.2V电源的完整电路板设计方案。整个设计所占用的板级空间尚不足1平方英寸,而输送的负载电流却高达5A。通过调整外部MOSFET的选择,这一效率业已超过90%的设计方案将能够提供更高的效率和/或负载电流。它还具备故障保护和启动功能。


图2:基于TPS40003的同步DC/DC电源

面对所有这些复杂的选择标准,当今的系统设计师必须配备品种齐全的DC/DC转换器工具库。由于系统各不相同,因此没有哪个解决方案可以适合所有的应用。成功的关键在于如何在众多彼此矛盾的设计优先级之间寻求出一种不易达到的平衡。这往往需要把多种解决方案结合起来使用,即使在一块专用电路板上也是如此。提供较高的灵活性不仅是系统设计师需要面对的挑战,也是电源解决方案供应商无法回避的课题。



关键词: 德州仪器公司

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